不同干燥方式下紫薯全粉的物性品質(zhì)及花青素含量

樊小靜，任廣躍,2*，段續(xù),2，曹偉偉，李琳琳，余祖艷

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)，471000)2(糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州，450000)

紫甘薯又稱(chēng)苕薯，是旋花科植物，其薯肉呈紫色或深紫色，內(nèi)含豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(花色苷、膳食纖維、微量元素、蛋白質(zhì))，具有抗腫瘤、自由基的清除、高血壓的預(yù)防、機(jī)體免疫力的增強(qiáng)等作用[1]。新鮮紫薯不易保藏，易氧化發(fā)霉[2]。因此，采用合適的干燥方式對(duì)紫薯進(jìn)行脫水處理，粉碎后制備的紫薯全粉[3]，其營(yíng)養(yǎng)豐富且易于保藏，可用作面包[4]、面條[5]、飲料[6]、果凍和微膠囊[7]等制品的原輔料，應(yīng)用廣泛。

果蔬通常采用熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、微波干燥以及真空冷凍干燥等方式進(jìn)行干燥，而熱風(fēng)干燥最為常見(jiàn)，其操作簡(jiǎn)單、所需能耗小、生產(chǎn)成本低[8]。孫悅等[9]將超聲技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)干燥紫薯片過(guò)程中，可以有效提高紫薯的干燥速率以及干燥品質(zhì)，有利于紫薯總酚和總黃酮成分的保持。熱泵干燥[10]也是較為常用的一種干燥方法，其干燥品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥。秦波[11]研究對(duì)比出太陽(yáng)能輔助熱泵干燥技術(shù)所得的紫薯干燥品質(zhì)、能耗、色澤以及微觀結(jié)構(gòu)等方面較優(yōu)。真空冷凍干燥是一種低溫脫水干燥技術(shù)，HARGUINDEGUY等[12]研究了真空冷凍干燥對(duì)茄子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥能較好地保存茄子的營(yíng)養(yǎng)特性。微波輔助真空冷凍干燥作為一種新型干燥方式，它以微波輻射為熱源，先將物料預(yù)冷，之后干燥，物料加熱均勻，所得產(chǎn)品品質(zhì)較好，相對(duì)于冷凍干燥具有能耗小、成本低、干燥時(shí)間短及干燥效率高的優(yōu)勢(shì)。賀健等[13]采用微波輔助真空冷凍干燥技術(shù)處理新鮮酸菜，確定了最佳干燥工藝條件。已有研究表明，紫薯花色苷種類(lèi)受熱風(fēng)干燥、滾筒干燥以及真空冷凍干燥3種干燥方式影響較小，但其含量有所減少[14]。研究不同干燥方法對(duì)紫薯全粉的影響，對(duì)高品質(zhì)紫薯全粉的高效制備具有重要意義。目前關(guān)于紫薯的研究主要集中在花青素[15]的分析、提取、純化和結(jié)構(gòu)鑒定方面，而干燥方式對(duì)紫薯顆粒細(xì)胞的損傷及全粉品質(zhì)的研究較少，利用微波輔助真空冷凍干燥技術(shù)制備紫薯全粉的相關(guān)研究更是鮮有報(bào)道。

本文采用微波輔助真空冷凍干燥制備紫薯全粉，同時(shí)對(duì)比分析紫薯全粉在熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥以及微波輔助真空冷凍干燥4種不同干燥方式所得紫薯全粉的干燥特性、理化特性和花青素含量，以期為高效制備紫薯全粉及其他農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用提供新型的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮紫薯購(gòu)于洛陽(yáng)正大優(yōu)鮮，大小均勻、色澤一致、無(wú)損壞。干燥前紫薯初始含水量為(68.64±0.19)%，4種干燥方式制得的紫薯全粉水分均控制在6%以下。

檸檬酸、95%乙醇，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；NaCl、抗壞血酸，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司；鹽酸，洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司；KI，西隴科學(xué)股份有限公司；碘，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

KD0248型果蔬切片器，廣東膳道廚具有限責(zé)任公司；BCD-565 WT/B型電冰箱，北京海信電器有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療器械廠；GHRH-20型熱泵干燥機(jī)，廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所干燥設(shè)備制造廠；微波輔助真空冷凍干燥由河南科技大學(xué)干燥實(shí)驗(yàn)室[16]設(shè)計(jì)；LGJ-10D真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機(jī)、JA2003 N型電子分析天平，上海佑科儀器儀表有限公司；HH-S4型電熱恒溫水浴，北京科偉永興儀器有限公司；XT-I5 D-110型色差儀，美國(guó)愛(ài)色麗公司；UV-2600型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海尤尼柯儀器有限公司；TM3030型臺(tái)式電鏡，日本電子株式會(huì)社；QE-200型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，浙江屹立工貿(mào)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紫薯全粉制備

挑選→清洗→切片→護(hù)色預(yù)處理→瀝干→干燥→粉碎

(1)切片：將新鮮紫薯用清水清洗表面，用濾紙將表面水分吸干，再用果蔬切片器切成4 mm厚的紫薯片。

(2)護(hù)色處理：將切好的紫薯片在復(fù)合護(hù)色劑(檸檬酸、抗壞血酸、NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.6%)里浸泡10 min[17]，防止氧化，瀝干后備用。

(3)干燥方法：對(duì)上述經(jīng)護(hù)色處理瀝干后的紫薯樣品，分別采用熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥以及微波輔助真空冷凍干燥進(jìn)行干制加工。操作如下：

①熱風(fēng)干燥：紫薯樣品均勻鋪散在物料盤(pán)中，將其放入熱風(fēng)干燥箱內(nèi)，50 ℃干燥至水分含量6%以下。

②熱泵干燥：將盛有紫薯樣品的物料盤(pán)放入熱泵干燥箱內(nèi)，50 ℃干燥至水分含量6%以下。

③真空冷凍干燥：將護(hù)色處理過(guò)的紫薯片放入自封袋于-25 ℃冰箱冷凍室預(yù)凍8 h備用，將預(yù)凍好的紫薯片置于真空冷凍干燥設(shè)備中，冷阱溫度-50 ℃，干燥室壓力20 Pa，干燥24 h，取出。

④微波輔助真空冷凍干燥：將護(hù)色處理過(guò)的紫薯片放入自封袋于-25 ℃冰箱冷凍室預(yù)凍8 h備用，試驗(yàn)前，先將微波輔助真空冷凍干燥設(shè)備的冷阱溫度降至-30 ℃以下，將預(yù)凍好的紫薯片放入干燥腔內(nèi)，打開(kāi)真空泵，待真空度降至100 Pa，打開(kāi)微波[微波功率設(shè)置為40 W(0.4 W/g)]，每30 min取出稱(chēng)質(zhì)量，直至紫薯片水分含量降至6%以下，結(jié)束干燥。

用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎，過(guò)80目篩網(wǎng)即為紫薯全粉樣品。

1.2.2 堆積密度的測(cè)定

將紫薯全粉裝于10 mL量筒內(nèi)，填充至10 mL刻度處，振實(shí)。稱(chēng)量紫薯全粉的質(zhì)量[18]，按照公式(1)計(jì)算紫薯全粉的堆積密度：

(1)

式中：ρb,堆積密度；m1,紫薯全粉和量筒的總質(zhì)量，g；m2,量筒質(zhì)量，g。

1.2.3 持水性和凍融析水力的測(cè)定

參照錢(qián)麗等[14]的方法并加以改動(dòng)。稱(chēng)取0.2 g紫薯全粉m0(g)，加入蒸餾水V1(mL)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的溶液，100 ℃恒溫水浴20 min，冷卻至室溫后， 3 000 r/min離心25 min，稱(chēng)取上清液m1(g)。所得沉淀物-18 ℃冷凍24 h，解凍至室溫，再于3 000 r/min離心25 min，稱(chēng)取上清液m2(g)。按公式(2)與公式(3)分別計(jì)算樣品的持水性與凍融析水力。

(2)

(3)

1.2.4 干燥能耗測(cè)定

根據(jù)WANG等[19]的方法計(jì)算不同干燥方法脫去紫薯中1 kg水所需的能耗。干燥過(guò)程中能耗計(jì)算如公式(4)所示：

(4)

式中：N,干燥能耗；P,功率，kW；m0,紫薯的初始質(zhì)量，kg；m1,紫薯的最終質(zhì)量，kg；t,干燥時(shí)間，h。

1.2.5 色澤的測(cè)定

利用色差儀進(jìn)行測(cè)定[20]，以?xún)x器白板為標(biāo)準(zhǔn)，每組分別隨機(jī)測(cè)定3次，測(cè)量紫薯全粉的L*、a*、b*，結(jié)果取平均值。其中，L*為明暗指數(shù)；a*為紅綠值；b*為黃藍(lán)值。

1.2.6 花青素含量測(cè)定

實(shí)踐教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生從理論知識(shí)向工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)[5]，學(xué)生需要通過(guò)此環(huán)節(jié)驗(yàn)證自身對(duì)理論知識(shí)的理解是否存在偏差，從實(shí)踐中找到問(wèn)題，再對(duì)理論知識(shí)反芻，加深理解。另外，實(shí)踐環(huán)節(jié)旨在訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力和解決工程問(wèn)題的能力[6]。

參考韋璐等[21]的方法。稱(chēng)取1 g紫薯全粉，加入20 mL提取劑[V(95%乙醇)∶V(1 mol/L鹽酸)=85∶15]，60 ℃恒溫水浴浸提1 h，取出后，以5 000 r/min離心10 min，收集上清液。取0.5 mL上清液稀釋20倍，測(cè)定535 nm處的吸光度，花青素含量計(jì)算如公式(5)所示：

(5)

式中：98.2為花青素的克分子消光系數(shù)。

1.2.7 游離淀粉碘藍(lán)值的測(cè)定

參考鄧資靖等[22]的方法。稱(chēng)取0.5 g紫薯全粉，加入100 mL蒸餾水，65 ℃恒溫振蕩水浴5 min，靜置1 min，過(guò)濾。吸取濾液5 mL于25 mL顯色管中，加入1 mL 0.02 mol/L的碘標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容。測(cè)定660 nm處吸光度，紫薯全粉游離淀粉碘藍(lán)值計(jì)算如公式(6)所示：

(6)

式中：m,稱(chēng)取的樣品質(zhì)量，g；dm,樣品中干物質(zhì)含量，%。

將紫薯全粉粘到樣品臺(tái)的導(dǎo)電膠上，裝入掃描電子顯微鏡觀察室，抽真空，觀測(cè)微觀結(jié)構(gòu)，選取不同放大倍數(shù)(800倍、1 200倍、2 000倍)的掃描電鏡圖進(jìn)行分析[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉物理特性及干燥能耗的影響

對(duì)不同干燥方式所得紫薯全粉物理特性及干燥能耗進(jìn)行測(cè)定并比較，其結(jié)果如表1和圖1所示。由表1可知，4種干燥方式制備紫薯全粉的堆積密度由大到小依次為：熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>熱風(fēng)干燥=真空冷凍干燥。堆積密度影響著紫薯全粉工藝生產(chǎn)的運(yùn)輸與包裝成本，堆積密度越大，其運(yùn)輸與包裝成本越低[24]。熱泵干燥制得的紫薯全粉堆積密度最大，可能使得其包裝運(yùn)輸成本最低，其次是微波輔助真空冷凍干燥。

真空冷凍干燥持水性最高，為9.45 g/g，其次是微波輔助真空冷凍干燥，持水性為9.00 g/g。持水性的大小與紫薯全粉淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，可能是真空冷凍干燥下紫薯片內(nèi)部水分直接升華，使得紫薯全粉形成多孔結(jié)構(gòu)，遇水時(shí)其內(nèi)部羥基與水分子結(jié)合緊密，能更好地固定水分子，使其持水性好。而熱風(fēng)干燥后的紫薯全粉表面不光滑，裂痕較多，幾乎沒(méi)有孔洞，其內(nèi)部羥基與淀粉分子結(jié)合緊密，不利于內(nèi)部水分的散發(fā)，更不利于吸水，使得其持水性低。

微波輔助真空冷凍干燥與其他干燥方式下制得紫薯全粉的凍融析水力存在差異(P<0.05)，可能由于紫薯先進(jìn)行冷凍后進(jìn)行微波輔助真空干燥，在干燥前物料受環(huán)境溫度影響，水分由固態(tài)液化，紫薯受到水分狀態(tài)影響，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所變化，凍融析水力偏大。但4種干燥方式下制得的紫薯全粉凍融析水力均較低，說(shuō)明制得的紫薯全粉在低溫下仍能保持較好的穩(wěn)定性。

表1 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉物理特性的影響Table 1 Effect of drying methods on the physical properties of purple potato powder

由圖1可知，4種干燥方法的能耗存在顯著性差異(P<0.05)。真空冷凍干燥所需能耗最高，其次是微波輔助真空冷凍干燥，而熱泵干燥和熱風(fēng)干燥所需能耗最低，主要是熱風(fēng)干燥時(shí)間短、設(shè)備簡(jiǎn)單能耗低。而熱泵干燥所需干燥時(shí)間較短，且設(shè)備所放物料多效率高，使其單位能耗較低；真空冷凍干燥的干燥時(shí)間長(zhǎng)使得其能耗高；微波輔助真空冷凍干燥作為一種聯(lián)合干燥方式，其真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)所需能耗大，但其干燥品質(zhì)較優(yōu)于其他干燥方式下的產(chǎn)品，對(duì)于生產(chǎn)高品質(zhì)物料具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖1 不同干燥方式的干燥能耗圖Fig.1 Drying energy consumption of different drying methods

2.2 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉色澤的影響

不同干燥方式所得紫薯全粉色澤結(jié)果如表2所示。微波輔助真空冷凍干燥和真空冷凍干燥處理下的紫薯全粉的L*和a*沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，而熱風(fēng)干燥、熱泵干燥和微波輔助真空冷凍干燥下的紫薯全粉L*、a*和b*存在顯著性差異(P<0.05)。L*值大小依次為：熱風(fēng)干燥>熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>真空冷凍干燥。熱風(fēng)干燥所得紫薯全粉最為明亮，L*值最大，為67.46，真空冷凍干燥紫薯全粉L*值最低，為59.00。a*大小依次為：微波輔助真空冷凍干燥=真空冷凍干燥>熱泵干燥>熱風(fēng)干燥。b*大小依次為：熱風(fēng)干燥>熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>真空冷凍干燥?？梢悦黠@看出微波輔助真空冷凍干燥與真空冷凍干燥a*(紅綠值)與b*(黃藍(lán)值)數(shù)值接近。紫薯全粉的色澤主要與花色苷含量和內(nèi)部酶活性有關(guān)。熱風(fēng)干燥溫度在50 ℃，在此溫度下，部分酶存活，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，花青素降解速度加快。而微波輔助真空冷凍干燥的溫度低，且時(shí)間短，花色苷含量相對(duì)較多，?；潭雀撸瑢?dǎo)致紫薯色澤較深。

表2 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉色澤的影響Table 2 Effect of drying methods on the chroma of purple potato powder

2.3 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉花青素含量和細(xì)胞破損的影響

由圖2可知，真空冷凍干燥能夠最大程度地保留紫薯全粉花青素，其次是微波輔助真空冷凍干燥，而熱風(fēng)干燥所制得的紫薯全粉花青素?fù)p失最為嚴(yán)重，這是由于預(yù)凍過(guò)程中極大保留了紫薯原有的形態(tài)和風(fēng)味，較好地維持了紫薯的營(yíng)養(yǎng)、顏色等，所得紫薯全粉花青素?fù)p失較小。而微波輔助真空冷凍干燥過(guò)程中以微波為熱源，造成部分花青素氧化[25]，使得紫薯花青素含量?jī)H次于真空冷凍干燥。但熱風(fēng)干燥時(shí)間較長(zhǎng)，紫薯花青素易氧化降解，使得紫薯全粉花青素含量最少。因此，微波輔助真空冷凍干燥和真空干燥可以最大限度地保留紫薯全粉花青素[26]。

圖2 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉花青素含量的影響Fig.2 Effect of different drying methods on anthocyanin content in purple potato powder

分析圖3可知，微波輔助真空冷凍干燥紫薯全粉的碘藍(lán)值最低，為2.74，熱泵干燥和真空冷凍干燥次之，熱風(fēng)干燥紫薯全粉碘藍(lán)值最高。這是由于熱風(fēng)干燥在干燥過(guò)程中造成大量的紫薯全粉細(xì)胞破損致使其游離淀粉含量增加，碘藍(lán)值增大；而微波輔助真空冷凍干燥的干燥時(shí)間短，干燥速率高，干燥過(guò)程中對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破壞較小，能較好保留細(xì)胞結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞形態(tài)，其碘藍(lán)值最小。因此，與其余3種干燥方式相比，微波輔助真空冷凍干燥是一種更為有效的保持紫薯細(xì)胞完整性的干燥方式。

圖3 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉碘藍(lán)值的影響Fig.3 Effect of different drying methods on the iodine blue value of purple potato powder

2.4 不同干燥方式對(duì)紫薯全粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響

不同干燥方式下的紫薯全粉樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。熱風(fēng)干燥(圖4-a)紫薯全粉顆粒表面不平整，放大2 000倍可以明顯看出紫薯顆粒表面有嚴(yán)重裂痕，甚至有很多已經(jīng)裂開(kāi)的破損小顆粒，這主要由于熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間長(zhǎng)，干燥過(guò)程中溫度和濕度變化梯度形成較大的表面張力，水分由內(nèi)部不斷向外遷移，造成紫薯全粉顆粒表面溫度高，先達(dá)到干燥終點(diǎn)，開(kāi)始皺縮凹陷，并伴隨結(jié)塊，導(dǎo)致紫薯全粉表面破損不光滑。熱風(fēng)干燥紫薯全粉顆粒表面結(jié)構(gòu)緊密，不利于內(nèi)部水分的散發(fā)，也不利于吸水，這與持水性結(jié)果一致。熱泵干燥(圖4-b)紫薯全粉表面也不光滑，但優(yōu)于熱風(fēng)干燥。放大1 200倍可以看到紫薯顆粒有裂痕但接近完整，放大2 000倍可以明顯看出紫薯顆粒有破損。這是因?yàn)闊岜酶稍镏泻笃诟稍锼俾事?xì)胞結(jié)構(gòu)破壞力小，能夠較為完整地保留細(xì)胞結(jié)構(gòu)。真空冷凍干燥(圖4-c)放大2 000倍時(shí)可以明顯看出顆粒表面光滑完整，大多呈現(xiàn)圓球狀，真空冷凍干燥將紫薯細(xì)胞中冰晶直接進(jìn)行升華，并未對(duì)紫薯造成破壞，能最大限度地保留完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。微波輔助真空冷凍干燥(圖4-d)放大2 000倍時(shí)可以明顯看出紫薯全粉顆粒表面較為光滑，淀粉顆粒間孔隙較大，這是由于微波輔助真空冷凍干燥干燥速率快、干燥時(shí)間短，紫薯中冰晶升華，留下多孔結(jié)構(gòu)，有利于吸水，導(dǎo)致其持水性較好。其次微波輔助真空冷凍干燥過(guò)程中水分的擴(kuò)散導(dǎo)致微孔道擴(kuò)充，孔隙率變大，紫薯淀粉顆粒較為疏松。微波輔助真空冷凍干燥能較好保留物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)物料損害小。

a-熱風(fēng)干燥；b-熱泵干燥；c-真空冷凍干燥；d-微波輔助真空冷凍干燥圖4 不同干燥方式所得紫薯全粉的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscopy pictures of the powder purple potato prepared by different drying methods注：由左至右分別為放大800、1 200、2 000倍

3 結(jié)論

研究表明，不同干燥方式對(duì)紫薯全粉的物理特性、細(xì)胞破損程度及花青素含量的影響有較大區(qū)別。對(duì)比目前國(guó)內(nèi)外研究單一干燥或者聯(lián)合干燥方式制備紫薯粉后發(fā)現(xiàn)，微波輔助真空冷凍干燥可以最大程度保留紫薯的色澤和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，生產(chǎn)出高品質(zhì)紫薯全粉，但其能耗較高，目前不適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。隨著人們對(duì)健康飲食的追求，微波輔助真空冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。本研究中4種干燥方式對(duì)紫薯全粉持水性、色澤、碘藍(lán)值以及花青素含量存在顯著性影響(P<0.05)。熱風(fēng)干燥所得紫薯全粉色澤明亮，其花青素?fù)p失嚴(yán)重，碘藍(lán)值最高，細(xì)胞破損最為嚴(yán)重；熱泵干燥所得紫薯全粉堆積密度最大，穩(wěn)定性好；真空冷凍干燥時(shí)間最長(zhǎng)，能夠最大程度地保留紫薯全粉的花青素，所得紫薯全粉花青素含量最高，紫薯全粉顆粒完整光滑，有較好的物理特性，品質(zhì)好；微波輔助真空冷凍干燥的干燥時(shí)間最短，所得紫薯全粉碘藍(lán)值最小，細(xì)胞破壞小，花青素含量較高，紫薯全粉顆粒表面較為光滑，結(jié)構(gòu)較為完整，品質(zhì)較好，在實(shí)際中將獲得有效應(yīng)用價(jià)值。